時間、空間以及作為時間和空間的統一體的宇宙，它們的真相到底是怎樣的呢？阿爾伯特·愛因斯坦，20世紀最偉大的物理學家，在其著作《狹義相對論》和《廣義相對論》中進行了天才的論述，而且他的《廣義相對論》在其實驗室--宇宙中得到了驗證。人們把《廣義相對論》看做是研究宇宙的基礎理論。
蘇黎世的大學生
德國南部的烏爾姆是一個美麗而古老的小城，與德國眾多的風光如畫的城鎮一樣，這裏風景秀麗，氣候宜人。盡管如此，烏爾姆城仍是微不足道的，隻是因為阿爾伯特·愛因斯坦才使烏爾姆聞名遐邇。
1879年3月14日，偉大的愛因斯坦降生於城內一戶普通的猶太人家庭。
愛因斯坦的家庭經曆了數次遷徙與奔波。從烏爾姆到慕尼黑再到意大利的米蘭、帕維亞，最後又回到米蘭。父親赫爾曼·愛因斯坦的事業也在輝煌與失敗之間大起大落，最後終歸於失敗。赫爾曼有著極高的數學天賦和很深的文學造詣，他的妻子波林·科克受過良好的教育，對音樂滿懷熱愛。愛因斯坦的家庭，是數學、文學、音樂三者結合成完美的文化氛圍，他們的生活充滿了和諧與溫馨，無疑，這一點使愛因斯坦受益終身。
12歲的愛因斯坦讀了《歐幾裏得幾何》，並證明了畢達哥拉斯定理：直角三角形的兩條直角邊的平方之和等於斜邊的平方；直角三角形各個邊的關係僅僅取決於它是一個直角三角形，而與兩個銳角的大小無關。
在16歲以前，愛因斯坦已經熟悉了基礎數學，掌握了微積分原理，而這些，正是一個大學生所要學習的內容。
1894年6月，父母家人離開德國慕尼黑，遷往意大利米蘭。愛因斯坦則被留了下來，原因是他必須在慕尼黑路易波爾德中學讀完高中，取得畢業文憑，這樣他才有資格考取大學。
路易波爾德中學的教育方式如軍營般僵硬、刻板，這與愛因斯坦的個性完全不能相容，他內心強烈地抵觸著這種教育模式。
當時的德國正在拚命地做著擴張的準備，軍國主義思潮四處泛濫。按照當時的法律，17歲以上的德國男孩都要服兵役。出於對即將淪為戰爭工具的恐懼和對路易波爾德中學的厭惡，愛因斯坦做出了一個決定，即盡快逃離慕尼黑，擺脫這牢獄般的生活。
1895年春天，愛因斯坦像一隻衝出樊籠的鳥撲進了意大利的懷抱。在他看來，意大利的山、水、白雲和人都代表著自由和解放。在愛因斯坦的舅舅雅各布的建議下，父母把這個逃學的兒子送到位於蘇黎世的聯邦工業大學。
這年秋，愛因斯坦越過阿爾卑斯山，來到了瑞士的蘇黎世參加聯邦工業大學的入學考試，由於語言課不合格而未被錄取，但愛因斯坦在數學方麵所表現出來的天賦很得主考官的賞識。校長建議愛因斯坦在阿勞鎮的州立中學補習一年。
在阿勞中學，愛因斯坦補習完了他的中學課程，並以優異的成績畢業。民主、開通的教學風氣以及知識淵博的教師們，用那生動、活潑的教學方式第一次讓愛因斯坦領略到學校生活的樂趣，這使他產生了放棄德國國籍的想法。1896年1月28日，愛因斯坦放棄了德國國籍。接下來的5年中，愛因斯坦一直是位無國籍的人。
1896年8月，愛因斯坦成為蘇黎世聯邦工業大學的一位學生，並在此度過了4年大學時光。他就讀的是教育係，學習物理和數學，主攻物理。按照愛因斯坦的初衷，他打算畢業後成為一名教師，向學生傳授自然科學理論。
蘇黎世聯邦工業大學是愛因斯坦成長過程中一個重要的裏程碑，從這裏開始，他踏上了探索自然科學的旅途。
嶄露頭角
在蘇黎世聯邦工業大學，愛因斯坦常常在宿舍裏攻讀物理學大師麥克斯韋、基爾霍夫、波爾茨曼和赫茲的著作而忘了上課時間。
在課堂上，愛因斯坦常常提出自己的不同見解，當麵對老師進行反駁。在那些守舊的教授們的眼裏，愛因斯坦是個離經叛道、不守規矩的學生。他的固執令那些教授們大為頭疼。有一次上物理實驗課，教授照例將寫著操作步驟的紙條發給了每一位學生。愛因斯坦照例隻按照自己的步驟去操作。一次實驗事故發生了，愛因斯坦的右手被炸傷了。由於不守規矩，愛因斯坦不僅受了傷，還受到了處分。在教授們看來，這是他不守規矩應得的報應。
1900年秋，愛因斯坦以優異的成績從蘇黎世聯邦工業大學畢業了。
從此，愛因斯坦走上了漫長的求職道路。他先後在蘇黎世聯邦觀象台和溫特圖爾技術學校擔任了短暫的計算和教學工作，爾後又在萊茵河畔的一所私立中學做了短期教學工作。
1903年1月，在父母強烈的反對下，愛因斯坦和米列娃組建了家庭。米列娃是愛因斯坦在大學二年級時的同班同學，是塞爾維亞人，她性情憂鬱而孤僻，有著詩人般的感傷氣質。愛因斯坦的卓越才華也贏得了米列娃的愛慕。
在伯爾尼的最初幾年中，愛因斯坦和米列娃的生活和諧而溫馨。1904年和1910年，他們先後迎來了長子漢斯和次子愛德華。但是，他們的婚姻最終走向了破裂。
1902年6月16日，愛因斯坦正式成為伯爾尼專利局的一名職員。正是從這裏，愛因斯坦叩開了命運之門，並走上了輝煌的成功之路。他的《狹義相對論》正是在伯爾尼專利局工作之餘研究出來的。
這段時間是愛因斯坦在事業上的輝煌時期，他發表了幾篇高質量的論文，完成了他一生中第一個對世界產生重大影響的著作--《狹義相對論》，成為學術界有影響的人物。
無論是對於愛因斯坦個人還是對於物理學的發展而言，伯爾尼都是值得永遠記憶的地方。這裏是愛因斯坦走向輝煌未來的重要起點，在這裏，他創立了一個學術組織--“奧林匹亞學院”。由於“奧林匹亞學院”的大部分成員在大學畢業後離開了伯爾尼，所以，它僅存在了三年。1905年，“奧林匹亞學院”結束了它輝煌的、富於創造性和充滿友愛的日子。
狹義相對論
有很長一段時間，“奧林匹亞學院”討論的焦點是牛頓的絕對時間與絕對空間。事實上，當時已經有人對牛頓的絕對時間概念進行了勇敢的批判，但沒有將牛頓批倒。
要批倒牛頓，實在不是一件容易的事情，因為牛頓力學理論在解決宏觀的和低速的運動現象中取得了無比輝煌的成就。他的《自然哲學之數學原理》從17世紀末它的誕生之日開始，就一直被奉為物理學的“聖經”，而且，用他的理論準確地預測了哈雷彗星的回歸和第八大行星--海王星的發現。
現在，年輕的愛因斯坦也開始向被奉為權威的牛頓經典物理學挑戰了。牛頓說空間和時間與外界事物無關，絕對時間和絕對空間是上帝創造的，是本來就有的。那麼，按照牛頓的說法，我們可以用一把足夠長的尺子來測量出地球表麵某一事件發生的準確地點，因為牛頓說空間是絕對的。
但是，愛因斯坦想到了生活中的一個普遍現象：一個人坐在一輛行駛著的汽車上，他手裏捧著一本書正在翻看，當他翻開一頁，瀏覽了一下書的內容接著又翻了下一頁。從這個閱讀者的角度來看，可以認為他兩次翻書的動作完成於同一個位置--他的座位上，而對於車下的一個觀察者而言，他會看到，閱讀者在翻動了第一頁書之後，汽車行進了幾米，他才翻動了第二頁書。毫無疑問，觀察者認為，閱讀者的兩次翻書動作發生在不同的位置，它們相距數米。
基於這樣的疑問，愛因斯坦認為並不存在“絕對”空間，任何對於空間位置的描述都應將觀察者包括在內。
愛因斯坦認為時間是相對的。比如在一輛汽車的兩頭，有兩名乘客同時紮破了兩個氣球，於是車廂裏發出一聲氣球炸破的響聲，車上的乘客也的確認為兩隻氣球是同時爆響的。但對於車下的人來說，他聽到的卻是一前一後兩聲響，這是事實，因為車在運動。因此，我們對“同時”就很難測定。設想當汽車的行進速度達到光速時，這種時間的相對性就表現得異常明顯。
愛因斯坦在阿勞中學時，就思考過一些問題：“如果人以光速前進，他將看到什麼景象？光是相對靜止的粒子還是相對靜止的波？”事實上，這是同狹義相對論有關的一個理想實驗。
1905年6月，愛因斯坦將他革命性的偉大思想凝結於《論運動媒質的電動力學》的論文中，在這篇論文中他提出了狹義相對論。此後，他又連續發表了幾篇論文，建立起了狹義相對論的全部框架。相對論的創立，使科學的新框架被搭建起來了，它無情地破壞了牛頓經典物理學的基礎，因為牛頓經典物理學的基礎是建立在絕對運動和絕對時間的概念之上的。
對於大多數人來說，狹義相對論是一種難懂的理論和想法，它預見了當物體的運動速度接近光速時將發生的現象：即時間變慢和物體變小（即鍾慢、尺縮）。這些預見在實驗中已得到了證實。
自狹義相對論的誕生之日起，牛頓定律就開始成了一個有限定律，它僅研究那些速度遠遠小於光速的物體的運動。
愛因斯坦在1905年創立的相對論適用於特定的條件，在慣性係中，並且在不存在引力的情況下，因此被稱為狹義相對論。
在伯爾尼，愛因斯坦研究了光速和以太的問題，他終於得出了結論：不存在以太，光速是不變的。
愛因斯坦認為，不論觀察者的運動速度和位置如何，光速在真空中是不變的，是常量，即兩個運動方向相反、時速為光速的火車，其相對速度仍為光速；兩個以光速同向運動的物體，其相對速度亦為光速。
光速不變原理是相對論的基石之一，愛因斯坦關於光速不變的論斷被稱為愛因斯坦光速不變原理。愛因斯坦由此斷言：因為光線的速率不變，所以，物體在接近光速時長度會變短，時間也會變慢。
美國物理學家邁克爾遜和莫雷的實驗也表明不存在以太，光速是恒定不變的，而且光速是物質運動和傳播的最大速度。
光是什麼？這是一個從牛頓時代起就一直爭論的問題。牛頓認為光照射在鏡麵上會反光，那麼光是粒子或粒子流。但牛頓的微粒說無法解釋兩束光交叉時為何不會碰撞的問題。
幾乎和牛頓同時代的荷蘭物理學家惠更斯則認為光是一種波。此後，光的微粒說和波動說爭論了有100多年。起初，由於牛頓崇高的威望，微粒說占上風。直到1801年，美國人托馬斯·楊的實驗，才使波動說占了上風。愛因斯坦認為光具有波、粒兩種特性，其本性有時表現為粒子，有時表現為波。